2.3. Регулирование речного стока

В естественных условиях реки характеризуются крайне неравномерным распределением стока в многолетнем, годовом и сезонном разрезах.

«Чуден Днепр при тихой погоде…» (Н.В. Гоголь)

Регулирование речного стока является необходимым условием рационального использования рек и осуществляется водохранилищами путем перераспределения во времени объема естественного стока в соответствии с требованиями водопользователей.

В естественных условиях речной сток формируется под влиянием следующих связанных между собой факторов:

• климатических условий, включая осадки, температуру, влажность воздуха и др.;
• ландшафта водосборной площади (рельефа, почв, инженерно-геологических условий, растительности);
• морфометрических и гидравлических характеристик (размеры и конфигурация водосборной площади и речной сети, уклоны и строение русла и др.).

Из них главным фактором являются климатические условия.

В современных условиях существенное влияние на формирование речного стока также может оказывать хозяйственная деятельность человека.

Стоком реки называют количество воды, протекающее по реке за определенный отрезок времени: год, сезон, месяц, неделю, сутки и др. Расход реки в м 3 /с характеризует интенсивность стока в тот или иной момент времени. Зависимость между ними характеризуется соотношением:

W= Q· t, где W – объем стока за период времени t ; Q – средний расход за этот же период времени.

Модуль стока характеризуется расходом воды, стекающей за одну секунду с единицы площади речного бассейна, и выражается обычно в литрах за секунду с 1 км 2 площади бассейна.

Рис. 2.3. График расходов р. Днепр за ряд лет

Расходы и сток, изменяющиеся во времени и по длине реки, увеличиваются с ростом водосборной площади и обычно достигают максимума в устье реки.

Важнейшей характеристикой водного режима реки являются графики внутригодового распределения расходов реки за годы наблюдений. Например, постоянные наблюдения на р. Днепр ведутся с 1881 г.

На рис. 2.3 приведен график расходов р. Днепр за ряд лет. Днепр является типичной равнинной рекой Европы с большими весенними паводками (половодьями) в результате таяния снега и относительно небольшими расходами в последующий меженный период. Обычно на таких реках за 2–3 месяца половодья проходит 60–70% годового стока (рис. 2.4).

К основным параметрам стока, определяемым на основе данных многолетнего ряда наблюдений, относится среднемноголетний расход

 

где n – количество лет наблюдений, и объем среднемноголетнего стока

 

Рис. 2.4. Гидрограф р. Днепр у г. Киева в 1999 г.

 

Изменчивость годового стока в многолетнем разрезе характеризуется коэффициентом вариации С v, который имеет различные значения в зависимости от неравномерности стока и представляет собой отношение среднеквадратичного отклонения годовых значений стока σ к их среднемноголетнему значению.

В случае малоизменяющегося стока рек за период наблюдений, например рек, вытекающих из озер, С v может составлять 0,15–0,25, а для рек засушливых районов, когда сток в маловодные и многоводные годы резко отличается, С v может составлять 0,7–1,1.

Коэффициент асимметрии С s характеризует несимметричность ряда исследуемых величин стока относительно их среднего значения.

При определении максимальных расходов воды пользуются, как правило, соотношениями: для расходов талых вод равнинных рек С s =2 С v ; для смешанных и дождевых расходов равнинных рек С s =3 С v – 4 С v ; для смешанных и дождевых расходов воды горных рек С s =4 С v.

Регулирование стока реки осуществляется водохранилищами. Водохранилища являются искусственными водоемами емкостью более 1 млн.м 3, образованными на водотоке подпорными сооружениями для регулирования стока реки, создания запаса воды и напора.

Степень регулирования стока зависит от соотношения полезного объема водохранилища V по л к объему среднемноголетнего стока и неравномерности распределения естественного стока во времени (коэффициенты С v и C s).

При отсутствии данных наблюдений за стоком реки используют данные по рекаманалогам с учетом особенностей физико-географических условий, изменения площади водосбора. Коэффициент объема регулирования водохранилища β, приближенно характеризующий степень регулирования, является отношением полезного объема водохранилища к объему среднемноголетнего стока.

Расчеты регулирования стока основываются на хронологических рядах натурных наблюдений за естественным стоком.

Благодаря регулированию стока водохранилищами обеспечивается возможность эффективного использования водных ресурсов для водопользования и водопотребления.

Водопользование – использование воды в пределах водного объекта (гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, санитарно-экологические попуски, обводнение пойменных земель и дельт рек, рекреация).

Водопотребление – использование воды с отводом от водного объекта (водоснабжение населения, промышленности, сельского хозяйства, орошение и обводнение земель). К безвозвратному водопотреблению относится водопотребление без возврата воды в водный объект.

Важной характеристикой водопотребления является его обеспеченность. Она показывает в течение какого количества лет по отношению ко всему хронологическому ряду при данном полезном объеме водохранилища установленное водопотребление обеспечивается.

Расчетная обеспеченность водопотребления может быть определена по приближенной формуле где – расчетная обеспеченность водопотребления, в %; m – количество лет, в течение которых удовлетворяется установленное водопотребление (порядковый номер члена гидрологического ряда наблюдений, расположенного в убывающем порядке).

Р

Расчетная обеспеченность обычно составляет для хозяйственно-бытового водоснабжения 95%, для ГЭС – 90–95%, для орошения – 75–80%.

Для ГЭС расчетная обеспеченность, например Р =90%, характеризует вероятность того, что вырабатываемая ГЭС электроэнергия и ее мощность будут в течение 90% лет равны расчетным величинам или превышать их, и только в течение 10% лет (100- Р) будут меньше расчетных величин. Недовыработка в эти годы электроэнергии ГЭС должна компенсироваться другими электростанциями энергосистемы.

Выделяют следующие виды регулирования речного стока, осуществляемого водохранилищами ГЭС: многолетнее, годичное или сезонное, недельное и суточное регулирование.

Водохранилище Нурекской ГЭС

Многолетнее регулирование позволяет перераспределять сток за ряд лет, накапливая сток в водохранилище в многоводные годы и срабатывая в маловодные. При многолетнем регулировании существенно возрастают гарантированная мощность ГЭС и выработка ею электроэнергии. При многолетнем регулировании в зависимости от изменчивости стока приближенно β =0,3–0,6 и выше.

Годичное или сезонное регулирование осуществляет перераспределение стока внутри года, накапливая сток в водохранилище в многоводный сезон в период паводков и срабатывая в маловодный сезон в период межени. Это наиболее распространенный тип регулирования стока. При годичном регулировании обычно β >0,1.

Недельное регулирование осуществляется в основном в интересах гидроэнергетики в связи с неравномерным потреблением электроэнергии, перераспределяя сток в течение недели с уменьшением попусков в нерабочие дни и увеличением в рабочие дни.

Суточное регулирование осуществляется в связи с неравномерным режимом работы ГЭС при покрытии пиковой части графика нагрузок, обеспечивая перераспределение расходов воды в течение суток. Обычно объем воды в водохранилище, необходимый для суточного регулирования, составляет 0,3–0,6 объема суточного стока через ГЭС.

Многолетнее и сезонное регулирование речного стока осуществляют многие крупные водохранилища комплексного назначения. В США из 75 водохранилищ объемом свыше 1 км 3 55 водохранилищ осуществляют многолетнее регулирование стока, в странах СНГ из 66 водохранилищ объемом более 1 км 3 24 водохранилища многолетнего регулирования.

Резко возрастают возможности регулирования стока рек в условиях каскада ГЭС. При этом при размещении ГЭС с регулирующими водохранилищами выше в каскаде они оказывают влияние на все нижерасположенные ступени, обеспечивая их зарегулированным стоком и повышая гарантированную отдачу. Однако при таком размещении в объеме речного стока, используемом при регулировании, не участвует сток притоков на нижерасположенном участке реки.

При размещении регулирующих водохранилищ в нижней части каскада за счет притоков увеличивается объем стока, участвующего в регулировании, но использовать его можно только на нижерасположенных ступенях.

Таблица 2.3 Классификация водохранилищ по высотному положению

Высотное положение по климатическим поясам (метры над уровнем моря)
Типы водохранилищ	Субаркти- ческий	Умеренный		Субтропи- ческий и тропический	Субэкваториальный и экваториальный
		Северная часть	Южная часть
Равнинные	0–200	0–500	0–700	0–1000	0–1200
Предгорные	200–500	500–1000	700–1200	1000–1500	1200–2000
Горные	Выше 500	1000–1500	1200–2000	1500–2500	2000–3000
Высокогорные	–	Выше 1500	Выше 2000	Выше 2500	Выше 3000

Таблица 2.4 Классификация водохранилищ по полному объему и площади зеркала

Категория водохранилищ	Показатели
	Полный объем, км3	Площадь зеркала, км2
Крупнейшие	Более 50	Более 5000
Очень крупные	10–50	500–5000
Крупные	1–10	100–500
Средние	0,1–1	20–100
Небольшие	0,01–0,1	2–20
Малые	Менее 0,01	Менее 2

Таблица 2.5 Классификация водохранилищ по глубине

Категория водохранилищ	Показатели, м		Примеры водохранилищ
	Наибольшая глубина	Средняя глубина
Исключительно глубокие	Более 200	Более 50	Ингурское (Грузия), Вайонт (Италия), Мовуазен (Швейцария), Чиркейское (Россия), Гувер (США)
Очень глубокие	101–200	31–50	Кельнбрейн (Австрия), Итайпу (Бразилия- Парагвай), Красноярское (Россия), Ататюрк (Турция), Хаобинь (Вьетнам)
Глубокие	51–100	21–30	Днестровское (Украина), Вилюйское (Россия), Эгль (Франция)
Средней глубины	21–50	11–20	Шульбинское (Казахстан), Балбина (Бразилия)
Незначительной глубины	10–20	5–10	Киевское (Украина), Ниагора 2 (Канада)
Мелкие	Менее 10	Менее 5

Оптимальное размещение ГЭС с регулирующими водохранилищами в каскаде определяется в результате технико-экономического сопоставления вариантов с учетом природных условий, а также влияния на природную и социальную среду.

Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты для ГЭС или каскада ГЭС с водохранилищами комплексного назначения выполняются с учетом требований гидроэнергетики, других водопользователей и водопотребителей.

Таблица 2.6 Классификация водохранилищ по глубине сработки

 

Глубина сработки	Амплитуда колебания уровня, м	Примеры водохранилищ
Малая	Менее 1	Саратовское (Россия), Днепровское (Украина)
Небольшая	1–3	Волгоградское, Горьковское (Россия), Киевское (Украина)
Средняя	3–10	Куйбышевское, Цимлянское, Братское, Вилюйское (Россия), Кременчугское, Каховское (Украина)
Большая	11–30	Чиркейское, Хантайское, Красноярское (Россия), Кленталерзее (Швейцария), Днестровское (Украина)
Очень большая	31–100	Нурекское (Таджикистан), Токтогульское (Киргизстан), Чарвакское (Узбекистан), Кельнбрейн (Австрия), Саяно-Шушенское (Россия)
Исключительно большая	Более 100	Гранд-Диксанс, Мовуазен (Швейцария), Тинь (Франция)

На Волжском каскаде ГЭС (Россия), где основные регулирующие водохранилища – Рыбинское и Волжское (Куйбышевское) с полезным объемом соответственно 16,7 и 34,6 км 3, остальные ГЭС работают в основном на поступающих из них расходах.

Днепровский каскад ГЭС, где основные регулирующие водохранилища Кременчугское и Каховское имеют полезный объем соответственно 9,0 и 6,8 км 3, с суммарным полезным объемом всех водохранилищ около 18 км 3 (β =0,32) осуществляет годичное регулирование стока.

Для эффективного регулирования стока и режима водохранилищ в процессе эксплуатации в интересах участников водохозяйственного комплекса используются специальные диспетчерские правила, которые должны обеспечить гарантированную водоотдачу (для ГЭС – мощность), смягчить перебои в водоотдаче в крайне маловодные периоды, превышающие расчетную обеспеченность.

Кременчугское водохранилище

Таблица 2.7 Классификация водохранилищ по интенсивности водообмена

Степень водообмена	Показатель водообмена полного объема, число раз в году	Примеры водохранилищ
Очень большая	более 10,0	Днепродзержинское, Каневское, Киевское (Украина), Саратовское (Россия), Франклин Рузвельт, Мак-Нери (США)
Большая	4,01–10,0	Горьковское, Куйбышевское, Волгоградское, Камское (Россия), Бич-Бенд (США)
Значительная	2,01–4,0	Кременчугское, Каховское (Украина), Чиркейское (Россия), Форт Рандол (США)
Средняя	1,0–2,0	Усть-Илимское, Саяно-Шушенское, Рыбинское, Красноярское (Россия)
Небольшая	0,51–0,99	Братское, Цимлянское (Россия), Токтогульское (Киргизстан), Мингечаурское (Азербайджан), Оахе, Поуэл (США)
Малая	0,33–0,5	Бухтарминское (Казахстан), Форт Пек (США)
Очень малая	менее 0,33

В диспетчерских правилах, которые основываются на результатах анализа работы водохранилищ или их каскада по календарному ряду наблюдений прошлых лет, даются рекомендации по режимам водохранилищ, в основном в виде компьютерных программ.